DE3211240A1

DE3211240A1 - Stabilisierungseinrichtung fuer gasentladungslampen

Info

Publication number: DE3211240A1
Application number: DE19823211240
Authority: DE
Inventors: Carlile Richmond Stevens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-03-27
Filing date: 1982-03-26
Publication date: 1982-10-07
Also published as: JPS57170073A; GB2095930A

Description

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Gasentladungslampen/ wie Quecksilberdampflampen hoher Intensität, Hochdruck-Natriumlampen und Niederdruck-Quecksilberlampen wie Leuchtstofflampen haben eine negative Impedanzcharakteristik und müssen mit einer Vorschalt- bzw. Stabilisierungseinrichtung betrieben werden, die einen konstanten Strom in der Lampe unabhängig von den Impedanzänderungen erzeugt. Wenn die Lampe altert, ohne daß sich ihre Umgebungsbedingungen ändern, ändert sich auch die Impedanz. Wenn der Strom tatsächlich konstant gehalten wird, nimmt die Leistung, d.h. die Lichtausbeute der Lampe infolge der Impedanzänderungen ab oder zu. Dies ist eine unerwünschte Eigenschaft. Durch die Erfindung soll der Lampe unabhängig von der Impedanzcharakteristik eine konstante Leistung zugeführt werden, so daß die Lichtausbeute der Lampe, wenn diese altert, relativ konstant bleibt. Es ist auch möglich, über die Lebensdauer der Lampe eine geringe Leistungszunahme zu bewirken, um den geringen Wirkungsgradverlust auszugleichen, der auftritt, wenn die Lampe altert, so daß eine konstante Lichtausbeute während der Lampenlebensdauer erreicht wird.

Es ist bekannt, eine Stabilisierung von Gasentladungslampen mit einem Reaktanzelement zu erreichen, das den Stromfluß begrenzt. Diese Elemente sind so ausgebildet, daß durch Verwendung einer Transformator- oder Spartransformatorsehaltung mit einem Reaktanzelement hoher Streuung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung in Verbindung mit einem Kondensator zur Korrektur des nacheilenden Leistungsfaktors ein hoher Leistungsfaktor aufrechterhalten werden kann. Die Reaktanz hoher Streuung erzeugt einen konstanten Strom bei der Entladung und begrenzt den Primäreingangsstrom. Eine optimale Lichtausbeute mit dieser Art der Stabilisierung wird erreicht, wenn die

Lampenimpedanz gleich der ist, für die die Stabilisierung entworfen wurde, wenn sie mit der richtig bemessenen

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Netzspannung betrieben wird. Änderungen der Eingangsnetzspannung, die normalerweise auftreten, verursachen eine entsprechende Änderung des Stroms und der an die Gasentladungslampe abgegebenen Energie, so daß die Lichtausbeute erhöht oder verringert wird.

Wenn die Lampe altert, nimmt die Impedanz zu. Bei Gasentladungslampen hoher Intensität ist dieser Effekt sehr stark. Wenn die Lampe am Anfang in Betrieb genommen wird, hat sie eine sehr niedrige Impedanz, und da der Strom, der von der Stabilisierungseinrichtung ausgehen kann, begrenzt ist, ist die Lichtausbeute normalerweise geringer als berechnet. Wenn die Lampe altert, nimmt die Impedanz bei konstantem Strom zu, so daß die Lichtausbeute ansteigt. Damit der Strom bei der Entladung konstant bleibt, wenn die Impendanz ansteigt, muß die Stabilisierungseinrichtung notwendigerweise eine höhere Ausgangsspannung erzeugen. Die Größe, um die diese Spannung ansteigen kann, ist willkürlich durch die Stabilisierungstransformatorkonstruktion begrenzt, um zu verhindern, daß eine zu hohe Leistung an die Lampe abgegeben wird. Diese notwendige Spannungsbegrenzung jedoch bewirkt, daß der Strom durch die Lampe abnimmt, wenn die Lampe weiter altert und ihre Impedanz ansteigt. An diesem Punkt der Lampenlebensdauer beginnt auch die Lichtausbeute abzunehmen. Diese Erscheinung tritt vor allem bei Leuchtstofflampen auf, bei denen die Lampen in Beleuchtungskörpern angeordnet sind, die sehr heiß werden. Dadurch wird die Lampenimpedanz über den Konstant-

^O strompunkt der Stabilisierungseinrichtung erhöht und die Lichtausbeute verringert. Bei den bekannten HF-Stabilisierungseinrichtungen ist diese Erscheinung nicht berücksichtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer Gasentla-■dungslampe unabhängig von Impedanzänderungen während der Lebensdauer der Vorrichtung eine konstante Leistung zuzu-

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führen, und damit eine konstante Lichtausbeute unabhängig von Änderungen der Umgebungsbedingungen der Lampe zu erreichen.

Es kann auch eine leichte Erhöhung der Lichtausbeute als Funktion von Impedanzänderungen möglich sein, die durch Altern hervorgerufen werden, wenn der Lampenwirkungsgrad mit der Lebensdauer abnimmt, so daß eine konstante Lichtausbeute erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe soll nicht nur auf Gasentladungslampen, sondern allgemein auf Gasentladungsvorrichtungen anwendbar sein.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die vorgeschlagene Ausbildung wird eine HF-Spannungsquelle geschaffen, die eine Spannung und einen Strom von im wesentlichen sinusförmigem Verlauf an die Gasentladungsvorrichtung derart abgibt, daß das Produkt der Spannung des Stroms konstant bleibt oder in bestimmter Weise als Funktion der Gasentladungsimpedanzänderung infolge der Alterung der Gasentladungsvorrichtung etwas ansteigt.

Die Spannungsquelle bzw. Stabilisierungseinrichtung besteht aus fünf Hauptteilen:

1. Einer Gleichspannungsquelle mit

a. einem Filter zur Unterdrückung ein- und/oder ausgehender elektromagnetischer Störungen,

b. einem Netzgleichrichter, der einen pulsierenden Gleichstrom erzeugt, und

c. einem Sperrwandler, der diese pulsierende Gleichspannung in ein gleichförmig gesteuertes Gleichstromausgangssignal umwandelt;

2. einem Schaltinverter zur Erzeugung eines HF-Signales

mit

a. Schaltelementen zu einer Voll- oder Halbbrückenschaltung und
b. einer Treiberstufe für die Schaltelemente;

3. aus einem Signalform- und Abstimmnetzwerk, das über die Rückkopplungsschaltung der Treiberstufe des Sperrwandlers einen sinusförmigen Laststrom am Ausgang des Sperrwandlers erzeugt, um die Belastung von Schalttransistoren zu verringern und der Gasentladungsvorrichtung eine Spannung und einen Strom mit sinusförmigem Verlauf zuzuführen,

4. einer pulsierenden Vorrichtung, die in Verbindung mit einer der Netzwerkinduktivitäten arbeitet, um Hochspannungszündimpulse zu erzeugen, die notwendig sind, um die Gasentladung einzuleiten, und

5. einem Strom- und Spannungssensor, der das Ausgangssignal des Sperrwandlers einstellt, um den Leistungsverbrauch in der Gasentladungsvorrichtung konstant zu halten.

Der Sperrwandler kann ein Leistungsoszillator und Verstärker sein, der die Last als integralen Teil umfaßt. Auf diese Weise kann die unter 5. erläuterte Einstellung eine Verstärkungssteuerung sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis ■4 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

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Fig. 1 eine graphische Darstellung der Arbeitsweise einer typischen Entladungslampe hoher Intensität, aus der die Daten einer 400 Watt Hochdruck-Natriumlampe hervorgehen, wobei das Trapez die Grenzen angibt, innerhalb der die Lampe betrieben werden kann, die gestrichelte Linie die Leistung dieser Lampe, wenn sie mit einer typischen üblichen Kern- und Drosselstabilisierungseinrichtung betrieben wird, und die.strichpunktierte Linie den

Betrieb angibt, wenn die Lampe mit der erfindungsgemäßen Stabilisierungseinrichtung verwendet wird,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Spannungsquelle zum Konstantleistungsbetrieb der Gasentladungsvor

richtung ,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, mittels der das Sperrwandler-Ausgangssignal geändert werden kann, um den Sperrwandler und damit die

Last mit konstanter Leistung zu betreiben, und

Fig. 4 ein Schaltbild einer weiteren Schaltungsanordnung, mittels der die in Fig., 1 dargestellte Arbeitsweise erzielt werden kann.

Fig. 1 zeigt, daß der Bereich der Arbeitskennlinien, in dem eine Hochdruck-Natriumlampe liegen kann, sehr weit ■ ■ ist. Wenn z.B. eine Lampe in Betrieb genommen wird, kann die Eingangs-Wattleistung und damit die Lichtausbeute nur 280 Watt betragen. Die gestrichelte Linie zeigt, daß mit üblicher Stabilisierung die Lichtausbeute normalerweise 320 Watt beträgt. Dieser Wert errechnet sich bei Nenn-Netzspannung. Bei niedriger Netzspannung ist die Wattleistung noch geringer. Es ist ersichtlich, daß am Ende der Lebensdauer der Lampe die Lichtausbeute bis zu 475 Watt betragen kann und noch innerhalb akzeptabler Lampenkennlinien liegt. Dies ist jedoch eine sehr unerwünschte Eigenschaft, und es ist bei üblicher Stabilisierung ersichtlich, daß die Lichtausbeute wegen der durch die Stabilisierung bewirkten Begrenzung wieder gefallen ist. Der einzige Zeitpunkt, zu dem die Lichtausbeute tatsächlich ihren berechneten Wert von 400 Watt erreicht, ist die Mitte des Lebensdauerzyklus bei richtiger Eingangsnetzspannung. Diese sehr große Abweichung der Lichtausbeute insbesondere am unteren Ende erfordert, daß eine angemessene Anzahl von Beleuchtungskörpern vorgesehen wird, um die notwendige Beleuchtung am Anfang und am Ende der Lampenlebensdauer und bei niedriger Netzspannung zu erreichen. Aus diesen Daten ist ersichtlich, daß für eine bestimmte Zeitdauer eine bessere Stabilisierung erforderlich ist.

Die strichpunktierte Linie zeigt die erfindungsgemäße Stabilisierung, die eine Arbeitskennlinie ergibt, die im wesentlichen eine flache, gerade Linie ist und zu einer konstanten Lichtausbeute über die gesamte Lebensdauer der Lampe führt. Diese Linie verläuft unterhalb einer Wattleistung von 4 00 Watt, die für die Lampe berechnet wurde, da der HS-Betrieb eine niedrigere Eingangsleistung erfordert, um die gleiche Nennlichtaus-

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beute zu erzeugen, die bei einer üblichen 60 Hertz-Kernspulenstabilisierung erreicht wird. Bei vorhandenen Anlagen, bei denen mehr Beleuchtungskörper als bei der erfindungsgemäßen Stabilisierung infolge des aufrechterhaltenen Lichtpegels installiert wurden, kann aufgrund der erfindungsgemäßen Stabilisierung die Leistung der Lampe nötigenfalls auf 280 Watt verringert werden. Auf diese Weise wird Energie gespart und die Lebensdauer der Lampe erhöht. Die konstante Beleuchtung einer Fläche kann auch zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades führen.

Die gestrichelte Linie zeigt einen leichten Anstieg der Ausgangswattleistung, wenn die Lampenimpedanz zunimmt.

Dadurch wird ein leichter Abfall des Wirkungsgrades der Lampe bei der Alterung kompensiert und führt zu einer "constant lumin maintenance". Die Wirkung der Anwendung rein sinusförmiger Hochfrequenz, kombiniert mit der Wiaungsgradkonstanthaltung, die durch die gesteuerte Leistung der Lampe errecht wird, kann zu Situationen führen, bei denen eine Hochdruck-Natriumlampe bei sorgfältiger Anpassung an einen bestimmten Anwendungs- - fall zu einer Energieverbrauchseinsparung von bis zu 40 % geführt hat. Durch eine derartige Einsparung wird eine evtl. notwendige Erhöhung der Kosten der erfindungsgemäßen Stabilisierung gegenüber der üblichen Kern-Spulen- und Kondensator-Konstruktion mehr als gerechtfertigt.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 2 wird die Netzeingangsleistung auf Leitungen 1a und 1b über ein Filternetzwerk 2 zugeführt. Dieses Netzwerk bewirkt eine Stoßspannungsdämpfung zum Schutz der nachfolgenden Schaltungskomponenten. Das Filter ist außerdem so konstruiert, daß es verhindert, daß Schaltstöße, die in der Stabilisierungseinrichtung erzeugt werden, auf die - Netzleitung in Form einer elektromagnetischen Störung (EMI) übertragen wird. Die so gefilterte Netzspannung

wird über Leitungen 3 und 4 einem Brückengleichrichter und HF-Filter 5 zugeführt. Hier wird das Signal von einem Wechselstrom in einen pulsierenden Gleichstrom , umgewandelt. Das Ausgangssignal erscheint auf Leitungen 6 und 7 als pulsierender Gleichstrom von 120 Hertz. Durch einen Sperrwandler 8 in Verbindung mit einem großen Filterkondensator 13 wird der pulsierende Gleichstrom in einen gefilterten Gleichstrom umgewandelt, dessen Pegel mittels außerhalb des Sperrwandlers 8 liegender Einrichtungen gesteuert werden kann.

Der gefilterte Gleichstrom, der an einem Kondensator 13 auftritt/ wird von einer Leitung 11 und über einen Stromsensor 14 über eine Leitung 15 einem Schaltinverter 16 zugeführt. Der Schaltinverter überträgt über Leitungen 17 und 18 eine abwechselnd polarisierte Rechteckspannung zu einem Netzwerk 19. Ein Rückkopplungssignal auf einer Leitung 23 steuert die Frequenz des Schaltinverters, damit das Netzwerk in Verbindung mit einer Last 22 stets in Resonanz ist.

Das Netzwerk 19 führt eine Impedanztransformation durch. Wie zuvor erläutert, muß der Laststrom konstant gehalten werden. Die Transformation erfolgt derart, daß der Strom eine direkte Funktion der Eingangsspannung ist und nicht von der Lastimpedanz abhängt. Wenn die Eingangsspannung des Schaltinverters 16 somit konstant gehalten wird, wird der Lampenstrom konstant gehalten. Wenn die die Last 22 bildende Lampe altert, steigt ihre Impedanz. Der Leistungsverlust in der Last ist gleich dem Stromquadrat mal dem Lastwiderstand, und daher muß bei dieser Widerstandserhöhung die Leistung notwendigerweise ansteigen. Wenn die Spannung konstantgehalten wird, benötigt das Netzwerk mehr Strom vom Inverter, um dieses Ergebnis 'zu erreichen. Dieser Strombedarf wird vom Stromsensor 14 ermittelt.

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Das Ausgancjssignal des Stromsensors 14, das die Größe des Stromflusses anzeigt, wird mit der Eingangsspannung aus der Leitung 11 durch einen Leistungssensor 10 verglichen.

Das Ausgangssignal des Leistungssensors reguliert dann über die Leitung 42 die Ausgangsspannung des Sperrwandlers. Das Produkt der Spannung und des Stroms ist gleich der vorbestimmten maximalen zuläffiigen Leistung, die bei der Lichtbogenentladung verbraucht wird.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild, mit dem dies erreicht werden kann. Ein Funktionsverstärker 30 bildet einen Teil einer integrierten Schaltung zum Betrieb von Sperrwandlern. Dem negativen Eingang wird der Spannungsabfall über einem Stromsensorwiderstand auf einer Leitung 32 zugeführt. Durch Wahl des Wertes des Stromsensorwiderstandes wird der maximale Strom, der ausgehend vom Sperrwandler fließen darf, bestimmt. Im normalen Betrieb liegt der positive Anschluß dieses Verstärkers auf Massepotential, so daß, wenn die Schaltung einen übermäßigen Strom zu ziehen beginnt, die Spannung auf der Leitung 32 ansteigt, bis das Ausgangssignal des Verstärkers 30 bewirkt, daß die Spannung des Sperrwandlers soweit abfällt, daß der Strom unter den maximal vorbestimmten Wert fällt. Bei der in Fig. 3 gezeigten Schaltung wird die Wandlerausgangsspannung von einer Leitung 33 Stromteilerwiderständen 23 und 25 zugeführt, deren Verbindungspunkt über einen Eingangswiderstand 24 mit dem Summierpunkt 36 eines Funktionsverstärkers 27 verbunden ist. Der positive

Einga/ng 35 des Verstärkers ist mit einer Bezugsspannung verbunden.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 27 am Punkt 37 wird auf einen Spannungsteiler gegeben, der aus Widerständen 3 8 und 28 besteht, deren Verbindungspunkt über eine Leitung 39 mit dem positiven Eingang bzw. dem Bezugspunkt

des Verstärkers 30 verbunden ist. Der Punkt 39 liegt somit um eine bestimmte Größe über dem Massepotential, so daß die Stromsensor-Rückkopplung auf der Leitung 32 gleich dieser Spannung sein muß. Wenn die Spannung am Punkt 39 gehoben oder gesenkt wird, wird die maximale Größe des Stroms, der fließen darf, folglich gehoben oder gesenkt.

Betrachtet man den gesamten Schaltungsbetrieb, dann ist ersichtlich, daß wenn die Wandlerausgangsspannung zunimmt, die maximale Größe des Stroms, der fließen darf, verringert wird, und daß, wenn die geregelte Ausgangsspannung gesenkt wird, mehr Strom fließen darf. Die Werte sind so eingestellt, daß das Produkt der Spannung und des Stroms eine Konstante ist. Diese einfache Schaltung ist für die meisten HID-Anwendungsfalle völlig zufriedenstellend, bei denen die Lampen mit oder nahe ihrer maximalen Lichtausbeute während ihrer gesamten Lebensdauer betrieben werden.

Wenn die Leistung auf unterschiedliche Werte voreingestellt werden soll, können die Widerstände 38 und 28 durch ein gestrichelt gezeigtes Potentiometer 34 ersetzt werden.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Leistungs-Oszillator/ Verstärker- und Konstantleistungs-Steueranordnung, die den Schaltinverter und das Netzwerk an den Leitungen 15 und 12 in Fig. 1 ersetzt. Bei dieser Art der Erzeugung des . . Ausgangssignals an der Lampenlast wird die Spannung des Sperrwandlers konstant gehalten, und die Verstärkung des Verstärkers wird so eingestellt, daß die an die Last abgegebene Leistung gesteuert wird. Wenn die Spannung konstant gehalten wird, ist die Leistung dem durch den Verstärker fließenden Strom direkt proportional. Eine Leistungssteuereinrichtung 5 0 ermittelt die Größe des fließenden ° Stroms und stellt die Verstärkung ein, um den Strom konstant zu halten. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die in

Last 22 über die Leitungen 20 und 21 fließende Energie sich unabhängig von dieser Lastimpedanz nicht ändert.

Eine externe Einstelleinrichtung 9 kann der Leistungssteuereinrichtung zugeordnet sein, um die Energie und - damit die Lichtausbeute der Lampe einzustellen.

Die Leistungssteuereinrichtung kann auch mit der Anzeige ]0 ^^es Lampehstroms in einem Lampenstromsensor 60 und einer Leitung 61 und der Lampenspannung auf einer Leitung 62 versorgt werden. Auf diese Weise kann der Leistungssensor die Impedanz der Lampe berechnen, die, wie zuvor erläutert, mit dem Alter zunimmt. Wenn daher die Lampe altert, kann die Leistungssteuereinrichtung der Lampe etwas mehr Energie zuführen und die Abnahme des· Lampenwirkungsgrades kompensieren, so daß eine konstante Lichtausbeute aufrechterhalten wird.

Bei den Schaltungen der Fig. 2 und 3 kann das gleiche Ergebnis durch richtige Wahl der Größe der den Funktionsverstärker 27 umgebenden Bauelemente und der zugehörigen Spannungsteiler erzielt werden. Dies ist möglich, da das Spannungs/Strom-Verhältnis, das auf den Schaltinverter gegeben wird, sich mit dem Alter der Lampe ändert, selbst wenn das Produkt so berechnet wird, daß es konstant gehalten wird. Durch Beobachtung der Änderung dieses Spannungs/Strom-Verhältnisses kann die geeignete Wattleistung der Lampe zugeführt werden, um diese Abnahme des Lichterzeugungswirkungsgrades zu kompensieren.

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Claims

-- Patentanwälte European Patent Attorneys - ; ;.. : : ".-" " - . . . _ Hansmann&Vogeser :..: .: " =..-"-..: .,:"- o Albert - Roßhaupter - Str. 65 J Z M Z 4 U D-8000 München 70 —*"""· Tel. C089) 7603081 Carlile Richmond Stevens 26 03 1982 468 El Rio Road ' Vg/BCh Danville, Calif. 94526 17376 U.S.A. Stabilisierungseinrichtung für Gasentladungslampen Patentansprüche

1. Stabilisierungseinrichtung für Gasentladungslampen, gekennzeichnet durch einen Sperrwandler

(8) mit dem Leistungsfaktor 1 für einen Netzeingang, einen Schaltinverter (16), der ein gleichförmiges gesteuertes Gleichstromausgangssignal vom Sperrwandler (8) empfängt, ein Wandlernetzwerk (19), das zwischen dem Schaltinverter (16) und der Gasentladungslampe (2 2) angeordnet ist, um der Gasentladungslampe ein Hochfrequenzsignal zuzuführen, und ein Signalform- und Abstimmnetzwerk, das mit dem Sperrwandler (8) zur Erzeugung eines sinusförmigen Laststroms am Ausgang des Sperrwandlers verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, g e k e η η zeichnet durch einen Strom- und Spannungssensor zur Einstellung des Ausgangssignales des Sperrwandlers (8), um den Leistungsverbrauch in der Gasentladungslampe (22) konstant zu halten.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Schaltinverter

]Q ein Leistungsoszillator und Verstärker ist, der die Gasentladungslampe (22) als integralen Teil umfaßt.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Form- und Abstimmnetzwerk Induktivitäten und eine pulsierende Vorrichtung aufweist, die mit einer ausgewählten Induktivität verbunden ist, um Hochspannungs-Zündimpulse zu erzeugen, die notwendig sind, die Gasentladung einzuleiten.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Form- und Abstimmnetzwerk ein Rückkopplungsnetzwerk bildet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Schaltinverter (16) Schaltelemente der Voll- oder Halbbrückenart aufweist und daß die Schaltvorrichtungen deren Treiberteil sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Gleichspannungsquelle mit einem Filter (2) zur Unterdrückung eingehender und ausgehender elektromagnetischer Störungen, und einen Gleichrichter (5) zur Erzeugung eines pulsierenden Gleichstroms, der an den Sperrwandler (8) angeschlossen ist.

8. Hochfrequenz-Spannungsquelle zur Versorgung einer Gasentladungslampe, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer Spannung und eines Stromes von im wesentlichen sinusförmigem Verlauf für die Gasentladungslampe, bei denen das Produkt aus Spannung und Strom konstant bleibt bzw. in vorbestimmter Weise als Funktion der Gasentladungsimpedanzänderung und der Alterung der Gasentladungslampe etwas ansteigt. 10